Ried
6 35
37 39
38
36
51 45
46
47 53 52
1
49 O
2EC
Temp
NO
3Cl SO
4TOC
Abb. 46: PCA hydrochemischer und mikrobiologischer Parameter, die in Grundwasseruntersuchungen an der Oberen Isar (Mittenwald) 2009 erfasst wurden. (PC1-3 = 71 %, PC3 nicht abgebildet).
• eine vergleichbar geringe „sichtbare“ mikrobielle Diver-sität (unter Anwendung herkömmlicher molekularer Metho-den, z.B. DGGE)
• ein deutlich überwiegendes Verhältnis von festsitzenden zu suspendierten Bakterien (> 4:1)
• die Abwesenheit von pathogenen Mikroorganismen und Viren (Fäkalindikatoren, direkter Nachweis)
• ein hoher Anteil an Crustaceen innerhalb der Fauna (sofern eine Fauna vorhanden ist)
• ein geringer Anteil an Würmern (Oligochäten und Nema-toden)
• ein überwiegender Anteil von Stygobionten (echte GW-Tiere)
• das weitgehende Fehlen von Oberflächenarten im Allge-meinen und exotischen Arten im Speziellen
Natürliche Referenzwerte für viele der hier angegebenen Mess-größen werden im folgenden Abschnitt erneut aufgegriffen.
Verschiedene, in der Vergangenheit entwickelte Auswahl-, Separations- und Analyseverfahren erlauben es, für einzelne vorwiegend chemische Messgrößen einen natürlichen Hintergrundwert bzw. Konzentrationsbereich abzuleiten (Kunkel et al. 2004; Wendtland et al. 2005; Müller et al.
2006; Custodio & Manzano 2008; Edmunds & Shand 2008;
Hinsby et al. 2008). Im Rahmen dieses Projekts erfolgte über ein mehrstufiges Vorgehen erstmalig die Ableitung biologischer Hintergrundwerte. Als ersten Schritt bedienten wir uns chemisch-physikalischer Richtwerte zur Vorauswahl von nicht oder nur moderat beeinflussten Messstellen bzw.
Einzelproben. Dafür wurden die Untersuchungsstandorte den entsprechenden von Kunkel et al. (2004) festgelegten Hydrogeologischen Bezugseinheiten zugeordnet. In Anleh-nung an die dafür ermittelte natürliche Grundwasserbe-schaffenheit wurde, auf Basis ausgewählter Kriterien (Leitpa-rameter), eine Präselektion durchgeführt. Konkret bedeutet das, den Ausschluss einer Grundwasserprobe von weiteren
Tab. 10: Ausgewählte Leitkriterien wie sie für die Präselektion anthropogen beeinflusster Messstellen bzw. Messwerte herangezogen wurden. Linker Wert entspricht der natürlichen Obergrenze, abgeleitet aus der hydrochemischen Präselektion mit anschließender univariater Rangstatistik; rechter Wert basiert auf der Komponentenseparation (Kunkel et al. 2004; siehe Box 3).
Box 3.: Präselektionsverfahren und Ableitung der natürlichen Grundwasserbeschaffenheit.
Um die natürliche Grundwasserbeschaffenheit in einem Gebiet zu erfassen, kommen eine Reihe von Verfahren zur Anwen-dung. Der erste Schritt ist die Trennung beeinflusster von unbeeinflussten Grundwasserproben (oder Messwerten). Dafür werden die Konzentrationsobergrenzen von Leitkriterien verwendet. Typische Kriterien sind beispielsweise Nitrat, Kalium oder auch organische Verbindungen. Im Präselektionsverfahren werden beeinflusste Proben konsequenterweise aus der nachfol-genden Auswertung ausgeschlossen, während alle verbleibenden Proben im Anschluss an die Präselektion als unbeeinflusst und natürlich definiert werden. Der präselektierte Datensatz kann mittels univariater Rangstatistik weiter ausgewertet werden und an ihm orientiert sich die Definition der natürlichen Grundwasserbeschaffenheit. Die statistische Analyse von Daten, die aus nominell unbeeinflussten Grundwassermessstellen oder tiefen, gut abgeschirmten Grundwasserleitern (Tiefengrundwasser) stammen, ist eine weitere Möglichkeit, um an Informationen über natürliche Hintergrundwerte zu gelangen. Dabei müssen die möglichen Unterschiede zwischen oberflächennahen und tiefen Grundwässern berücksichtigt werden. Ohne eine Präselektion von Daten kommt die sogenannte Komponentenseparation aus. Um natürliche Hintergrundwerte zu definieren, werden die Parameter-spezi-fischen Konzentrationsverteilungsmuster (Mittelwert, Median, Perzentile etc.) eines Datensatzes mit statistischen Verteilungs-funktionen in eine natürliche und eine beeinflusste Komponente separiert (Kunkel et al. 2004; Wendtland et al. 2005). Vorteil dieser Methode ist, dass alle vorhandenen Daten in die Auswertung einbezogen werden. Diese Art der Ableitung resultiert in wenig konservativen Nominalwerten, da die ubiquitäre Überprägung in vollem Umfang mit berücksichtigt wird.
Parameter Erftgebiet Rur- &
Erftscholle
Erftgebiet
Bunt-sandstein Alb-Donau Karst Alb-Donau Alluvium
Ratzeburg &
Soltau Obere Isar Freising
K+ [mg L-1] > 4,0 / 7,9 > 3,0 / 3,6 > 2,0 / 1,9 > 2,2 / 3,3 > 3,3 / 5,1 > 0,4 / 0,4 > 2,2 / 3,3 O2 [mg L-1] < 0,2 / 0,1 < 5,2 / 4,9 < 4,0 / 4,8 < 2,8 / 2,3 < 0,1 / 0,1 < 7,1 / 7,4 < 2,8 / 2,3 NO3- [mg L-1] (> 8,5 / 12,8) (> 8,9 / 26,0) (> 9,9 / 17,5) (> 9,0 / 24,8) > 2,5 / 0,5 > 4,6 / 7,2 (> 9,0 / 24,8) NH4+ [mg L-1] > 0,2 / 0,2 > 0,02 / 0,01 > 0,01 / 0,01 > 0,01 / 0,006 > 0,4 / 0,4 > 0,02 / 0,007 > 0,01 / 0,006 PO43- [mg L-1] - - / > 0,33 > 0,06 / 0,14 > 0,2 / 0,1 > 0,4 / 0,08 > 0,2 / 0,02 > 0,2 / 0,1 DOC [mg L-1] > 2,6 / 2,5 - / > 3 - / > 2 - / > 2 > 4,8 / 6,2 - - / > 2 LF1 [µS cm-1] > 930 / 1200 > 400 / 700 > 650 / 700 > 670 / 900 > 690 / 1000 > 1800 / 440 > 670 / 900
E. coli [1 / 100mL] > 1 > 1 > 1 > 1 > 1 > 1 > 1
BSB5 [mg L-1] > 1,5 > 1,5 > 1,5 > 1,5 - > 1,5 > 1,5
HBE2 Schotter und Kiese des Nieder-rheins
Sandsteinfolgen
des BuntsandsteinKalksteine des Oberen Jura
Schotter und Moränen des Alpenvorlands
Sande und Kiese
Norddeutschland Kalksteine des alpinen Raums
Schotter und Moränen des Alpenvorlands
1 Elektrische Leitfähigkeit, 2 Hydrogeologische Bezugseinheit
Analysen zur Ableitung eines natürlichen Hintergrundwer-tes, wenn die natürliche Obergrenze für auch nur einen der ausgewählten Leitparameter überschritten wurde. Die natür-lichen Obergrenzen der physikalisch-chemischen Auswahlkri-terien orientieren sich an Werten, welche von Kunkel et al.
(2004) statistisch für die jeweilige Hydrogeologische Bezugs-einheit ermittelt wurden (Tab. 10, Box 3). Zur Berechnung der Hintergrundwerte verwendeten Kunkel et al. (2004) zwei verschiedene Verfahren, die zum einen zu konservativen Werten (univariate Rangstatistik) führten und zum anderen Werte umfassen, die eine starke anthropogene Überprägung berücksichtigen (Komponentenseparation) (Tab. 10, Box 3).
Als abiotische Leitkriterien zur Probenpräselektion wurden Kalium, Nitrat, Ammonium, Orthophosphat, Sauerstoff, DOC und elektrische Leitfähigkeit herangezogen. Als ergänzende biologische Kriterien kamen E. coli als hygienisch relevante Variable sowie der biologische Sauerstoffbedarf (BSB5) zum Einsatz (Tab. 10). Eine detaillierte Erläuterung zu den einzelnen Leitparametern findet sich im Anhang diese Berichts (Annex 1). Da für Nitrat eine beinahe flächende-ckende Belastung des oberflächennahen Grundwassers in Deutschland zu finden ist, diese jedoch auf die Biologie im Grundwasser keinen direkten schädlichen Einfluss hat, wurde Nitrat nur am Standort Obere Isar bei Mittenwald als Präse-lektionskriterium angewandt. Im zweiten Schritt wurden die verbleibenden Messwerte mittels univariater Rangstatistik (Mittelwert, Median, Perzentilen etc.) ausgewertet.
4. 1 Die natürliche Grundwasserbeschaffenheit – physikalisch-chemische Verhältnisse
Um die Auswirkung der Präselektion auf den Umfang des verbleibenden Datensatzes zu verdeutlichen, sind in Tabelle 11 die prozentualen Werte der ausgeschlossenen Proben zusammengefasst.
Für einen aussagekräftigen Vergleich sind in den Box-Plot-Diagrammen die Ergebnisse unter Berücksichtigung aller
Daten (Spalte ‚A‘), die abgeleiteten Hintergrundwerte unter Berücksichtigung der konservativen (strengen) Obergren-zen für die hydrochemischen Leitparameter (Spalte ‚B‘; aus hydrochemischer Präselektion und Rangstatistik in Kunkel et al. 2004), und die Werte nach erfolgter Präselektion unter Berücksichtigung der Grenzwerte der Leitparameter aus der Komponentenseparation (Spalte ‚C‘) dargestellt. Für eine erste Definition der „natürlichen“ Hintergrundwerte für mikrobiologische Messgrößen wurde der Wertebereich zwischen dem 10. und dem 90. Perzentil herangezogen.
Um den Einstieg in die Ableitung natürlicher Hintergrund-werte für ausgewählte mikrobiologische bzw. mikrobio-logisch relevante Messgrößen zu verdeutlichen, sind im Folgenden (Abb. 47 und 48) noch einmal gebietsübergrei-fend die Verhältnisse für einzelne physikalisch-chemische Messgrößen in Hinblick auf die anthropogene Überprägung der Grundwasserbeschaffenheit zusammengefasst. Diese Datenauswertung stützt sich im Wesentlichen auf Ergeb-nisse aus der zweiten Projektphase (Jahr 2009). Für weitere Ausführungen zur hydrochemischen Charakteristik der Grundwässer der einzelnen Untersuchungsstandorte wird der Leser auf Abschnitt B-2 verwiesen. Um den Datensatz aus Sicht der Mikrobiologie etwas zu erweitern, wurden für die Auswertungen in diesem Abschnitt Ergebnisse von einem weiteren Standort, i.e. Freising bei München (quar-tärer Lockergesteinsgrundwasserleiter in der Münchner Schotterebene; HBE = Schotter und Moränenablagerungen des Alpenvorlands) berücksichtigt. Diese Daten wurden im Rahmen des Projekts AQUITHERM (Life Science Stiftung) erhoben (Brielmann et al. 2009).
Wie aus den Abbildungen 47 und 48 gut ersichtlich ist, zei-gen die Grundwässer der unterschiedlichen Untersuchungs-standorte ausgeprägte hydrochemische Eigenheiten. Diese Unterschiede in der Grundwasserbeschaffenheit spiegeln im Wesentlichen das zu erwartende hydrochemische Bild der hydrogeologischen Bezugseinheiten wider, denen sie nach
* 14 Proben für Parameter Sauerstoff, Elektrische Leitfähigkeit, Phosphat, DOC, Nitrat und Kalium 10 Proben für Parameter Bakterielle Abundanz, Shannon-Index und Evenness
4 Proben für Parameter Koloniebildende Einheiten
Untersuchungs-standort
Anzahl MSt
Anzahl Proben
Ausschluss Proben
Ausschluss Proben %
Ausschluss Proben
Ausschluss Proben %
Rangst. Rangst. Kompsep. Kompsep.
Erftgebiet
Rur&Erftscholle 11 22 18 82 5 23
Östliche Eifel 10 20 20 100 17 85
Alb-Donau-Kreis
Karst 16 31 27 87 16 52
Alb-Donau-Kreis
Alluvium 14 27 21 78 14 52
Ratzeburg 6 12 12 100 12 100
Soltau 17 33 9 27 19 58
Obere Isar 14 28 2 7 4 14
Freising 4 14 / 10 / 4* 14 / 10 / 4 100 / 100 / 100 1 / 1 / 0 7 / 10 / 0
Gesamt 96 187 / 183 / 177 123 / 119 / 113 66 / 65 / 64 88 / 88 / 87 47 / 48 / 49
Tab. 11: Verbleibender Datensatz nach erfolgter Präselektion (Rangstatistik und Komponentenseparation).
Abb. 47: Boxplots ausgewählter physikalisch-chemischer Messgrößen vor (getrennt in Frühjahr [F] und Herbst [H]; A) und nach Ausschluss anthropogen beeinflusster Messstellen (B, C). Die dargestellten Messgrößen selbst wurden zur Präselektion herangezogen (Tab. 10). Ausnahme bildet Nitrat, welches nur an den Standorten „Obere Isar“, „Ratzeburg“ und „Soltau“ als Ausschlusskriterium angewandt wurde; * alle Messstellen wurden durch Präselektion ausgeschlossen.
0 2 4 6 8 10
* *
*
0 2 4 6 8 10
*
0 2 4 6 8 10 12
Kalium [mg L-1]
F H F H F H F H F H F H F H
4 24 25 17 3 15 13 14 24 13
A B C
3 6
0 200 400 600 800 1000 1200
*
* *
0 200 400 600 800 1000 1200
*
0 200400 600800 1000 12001400 16001800 2000
F H F H F H F H F H F H F H
4 24 25 3 15 13 14 24 13
A B C
3 6
Elektrische Leitfähigkeit [µS cm-1]
17
0 20 40 60 80 100
0
*
20 40 60 80 100
* * *
0 50 100 150 200
F H F H F H F H F H F H F H
4 24 25 3 15 13 14 24 13
A B C
Nitrat [mg L-1]
3 6 17
0 0,1 0,2 0,3 0,4
* * *
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 0,1 0,2 0,3 0,4
*
F H F H F H F H F H F H F H
4 24 25 3 15 13 14 24 13
Rur-& Erftscholle Buntsandstein Alb-Donau Karst Ratzeburg Soltau Obere Isar FreisingAlb-Donau Alluvium
A B C
Rur-& Erftscholle Buntsandstein Alb-Donau Karst Ratzeburg Soltau Obere Isar FreisingAlb-Donau Alluvium
Rur-& Erftscholle Buntsandstein Alb-Donau Karst Ratzeburg Soltau Obere Isar FreisingAlb-Donau Alluvium
Phosphat [mg L-1] Werte unter Nachweisgrenze Werte unter Nachweisgrenze Werte unter Nachweisgrenze
3 6 17
Kunkel et al. (2004) zugeordnet sind. Zusätzlich sind jedoch die anthropogenen Einflüsse in den jeweiligen Gebieten deut-lich ablesbar.
Da natürlicher DOC ein komplexes Gemisch aus verschie-densten organischen Verbindungen ist und meist nur ein kleiner Teil unmittelbar von Mikroorganismen abgebaut bzw. assimiliert werden kann, wurde im Zuge der Herbstbe-probung 2009 der gelöste assimilierbare organische Kohlen-stoff (AOC) bestimmt (Hammes & Egli 2005). Mit Ausnahme einzelner Proben aus Ratzeburg enthielten die untersuch-ten Grundwässer, vor allem nach Präselektion anthropogen beeinflusster Messstellen, meist weniger als 20 – 30 µg L-1 AOC (Abb. 49). Bei durchschnittlichen DOC-Konzentrationen von 1 – 2 mg L-1 ist für die Bakterien somit weniger als 2 % des vorhandenen gelösten organischen Kohlenstoffs unmittel-bar in Biomasse umsetzunmittel-bar. Dies unterstreicht deutlich die energielimitierenden Lebensbedingungen für die mikrobi-ellen Gemeinschaften im Grundwasser. In Abbildung 50 ist zusammenfassend das Verhältnis zwischen DOC und AOC als Scatterplot für alle erhobenen Daten dargestellt.